2019-08-01 23:58:01
有希望的新的太阳能供应氢燃料生产的道路

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利哈伊大学的工程师是第一个利用单一酶生物矿化过程来制造催化剂的工具,该催化剂利用捕获的太阳能将水分子分解产生氢气。合成过程在室温和环境压力下进行,克服了先前报道的方法的可持续性和可扩展性挑战。

太阳能驱动的水分裂是实现可再生能源经济的有前景的途径。产生的氢气既可以作为运输燃料,也可以作为肥料和化学品生产的关键化学原料。这两个部门目前在温室气体排放总量中占很大比例。

实现太阳能驱动能源生产承诺的挑战之一是,虽然所需的水资源丰富,但以前开发的方法利用复杂的路线,需要对环境有害的溶剂和大量的能量进行大规模生产。对环境的代价和危害使得这些方法无法作为长期解决方案。

现在,利哈伊大学的一个工程师团队利用生物矿化方法合成了量子限制纳米粒子金属硫化物颗粒和支持还原氧化石墨烯材料,以创造一种光催化剂,将水分解形成氢气。该团队在8月7日出版的“皇家化学学会期刊”绿色化学杂志的封面上发表了题为“酶促合成受支持的CdS量子点/还原氧化石墨烯光催化剂”的文章。

该论文的作者包括:Lehigh化学与生物分子工程系教授Steven McIntosh以及前博士Leah C. Spangler。学生和John D. Sakizadeh,现任博士。学生;同样,作为Christopher J. Kiely,Lehigh材料科学与工程系的Harold B. Chambers高级教授和Joseph P. Cline博士。学生和基利一起工作。

“我们的水基工艺代表了生产这种有前途的光催化剂技术的可扩展绿色途径,”McIntosh说,他也是Lehigh功能材料和器件研究所的副主任。

在过去几年中,McIntosh的研究小组开发了一种用于生物矿化的单一酶方法 - 生物有机体生产尺寸可控的量子限制金属硫化物纳米晶体矿物的过程。在之前与Kiely的合作中,该实验室成功地展示了第一个精确控制的生物量子点制造方法。他们的一步法从简单的水溶液中的工程细菌细胞开始,最后用功能性半导体纳米粒子结束,所有这些都不需要使用高温和有毒化学物质。纽约时报的一篇文章中介绍了这种方法:“一种神秘的细菌如何给你带来更好的电视效果。”

“其他团体已尝试进行纳米材料化学合成的生物矿化,”Spangler说,他是第一作者,现任普林斯顿大学博士后研究员。 “挑战在于控制材料的性质,如颗粒尺寸和结晶度,以便所得材料可用于能源应用。”

McIntosh描述了Spangler如何能够调整该集团已建立的生物矿化过程,不仅可以合成硫化镉纳米颗粒,还可以将氧化石墨烯还原为导电性更低的氧化石墨烯氧化物形式。

“然后,她能够将这两种成分结合在一起,形成更有效的光催化剂,由负载在还原的氧化石墨烯上的纳米颗粒组成,”McIntosh说。 “因此,她的辛勤工作和最终的发现使得光催化剂的关键组分能够以绿色方式合成。”

该团队的工作证明了生物矿化的实用性,以实现功能材料的良性合成,用于能源领域。

“业界可能会考虑大规模实施这种新型合成路线,”Kiely补充说。 “其他科学家也可以利用这项工作中的概念来创造其他具有重要技术重要性的材料。”

McIntosh强调这种有前途的新方法的潜力是“绿色路线,绿色能源,利用丰富的资源”。

“至关重要的是要认识到,任何实际解决能源部门绿化问题的方法都必须大规模实施才能产生实质性影响,”他补充道。